EP4074492A1 - System for joining workpieces of thermoplastic material by through-transmission laser welding - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System zum Fügen zumindest zweier Werkstücke (11, 12) aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen, umfassend wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung und eine Abbildungsoptik (10, 21) mit einer ersten optischen Achse, wobei von der Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung emittierte Laserstrahlung (5) in eine Fügezone geleitet wird und wobei die Abbildungsoptik (10, 21) zur optischen Abbildung aus einer Fügeebene (13) in der Fügezone in eine Detektionsebene (22) einer strahlungsdetektierenden Vorrichtung (23) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an einem Einkoppelpunkt (24) auf einer, zu der ersten optischen Achse parallel verlaufenden, zweiten optischen Achse ein Umlenkspiegel (9) zur Umlenkung der Laserstrahlung (5) aus einer mit der zweiten optischen Achse einen nichtverschwindenden Winkel, vorzugsweise einen rechten Winkel, einschließenden Eintrittsachse (6) in eine Richtung entlang der zweiten optischen Achse angeordnet ist.The invention relates to a system for joining at least two workpieces (11, 12) made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, comprising at least one device for generating laser radiation and imaging optics (10, 21) with a first optical axis, the device for generating Laser radiation emitted by laser radiation (5) is guided into a joining zone and the imaging optics (10, 21) are designed for optical imaging from a joining plane (13) in the joining zone into a detection plane (22) of a radiation-detecting device (23). According to the invention, at a coupling point (24) on a second optical axis running parallel to the first optical axis, a deflection mirror (9) for deflecting the laser radiation (5) from an angle that does not disappear with the second optical axis, preferably an angle right angle, including the entrance axis (6) is arranged in a direction along the second optical axis.
Description
Die Erfindung betrifft ein System zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen, umfassend wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung und eine Abbildungsoptik mit einer ersten optischen Achse, wobei von der Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung emittierte Laserstrahlung in eine Fügezone geleitet wird und wobei die Abbildungsoptik zur optischen Abbildung aus einer Fügeebene in der Fügezone in eine Detektionsebene einer strahlungsdetektierenden Vorrichtung ausgebildet ist.The invention relates to a system for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, comprising at least one device for generating laser radiation and imaging optics with a first optical axis, laser radiation emitted by the device for generating laser radiation being guided into a joining zone and wherein the imaging optics are designed for optical imaging from a joining plane in the joining zone into a detection plane of a radiation-detecting device.
Beim Laserdurchstrahlschweißen werden zwei Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Bestrahlung durch Laserstrahlung und Beaufschlagung von mechanischem Druck miteinander verbunden. Der mechanische Druck resultiert dabei etwa aus einer Spannvorrichtung, in der die zu fügenden Werkstücke miteinander eingespannt sind oder einer Presspassung der zu fügenden Werkstücke. In der Regel ist beim Laserdurchstrahlschweißen eines der beiden Werkstücke für die verwendete Laserstrahlung nahezu vollständig transparent und die Laserstrahlung transmittiert durch dieses Bauteil (fast) ungehindert, wohingegen das andere, zweite Werkstück für die verwendete Laserstrahlung stark absorbierend ist. Das transparente Werkstück ist dabei typischerweise nicht nur für die verwendete Laserstrahlung weitestgehend transparent, sondern grundsätzlich für elektromagnetische Strahlung zumindest aus dem sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, im Folgenden als optisch transparent bezeichnet. Gegebenenfalls kann optische Transparenz zusätzlich auch Transparenz bezüglich des als nahes Infrarot bezeichneten Teil des elektromagnetischen Spektrums, das sich an das langwellige Ende des sichtbaren Teils des elektromagnetischen Spektrums anschließt und/oder für Teile des UV-Spektrums, die sich an das kurzwellige Ende des sichtbaren Teils des elektromagnetischen Spektrums anschließt, umfassen. Das für die verwendete Laserstrahlung absorbierende und daher intransparente Werkstück ist dabei zugleich auch optisch intransparent.In laser transmission welding, two workpieces made of thermoplastic material are connected to one another by means of laser radiation and the application of mechanical pressure. The mechanical pressure results from a clamping device in which the workpieces to be joined are clamped together or a press fit of the workpieces to be joined. As a rule, in laser transmission welding, one of the two workpieces is almost completely transparent for the laser radiation used and the laser radiation transmits (almost) unhindered through this component, whereas the other, second workpiece is highly absorbent for the laser radiation used. That A transparent workpiece is typically largely transparent not only for the laser radiation used, but also fundamentally for electromagnetic radiation at least from the visible part of the electromagnetic spectrum, hereinafter referred to as optically transparent . Optionally, optical transparency can also include transparency with respect to that part of the electromagnetic spectrum referred to as near infrared, which adjoins the long-wavelength end of the visible part of the electromagnetic spectrum and/or for parts of the UV spectrum, which adjoin the short-wavelength end of the visible part of the electromagnetic spectrum. The workpiece, which absorbs the laser radiation used and is therefore opaque, is also optically opaque at the same time.
Durch die Absorption der Laserstrahlung im zweiten Werkstück erwärmt sich das zweite Werkstück und das thermoplastische Kunststoffmaterial des zweiten Werkstücks wird in einer gewissen Umgebung der von Laserstrahlung im zweiten Werkstück bestrahlten Bereiche aufgeschmolzen. Bedingt durch Wärmeleitung und/oder Wärmetransport im Werkstück schmilzt auch noch Kunststoffmaterial in Bereichen angrenzend an die unmittelbar von Laserstrahlung bestrahlten Bereich im zweiten Werkstück auf. Ebenso wird durch Wärmeleitung und/oder Wärmetransport Kunststoffmaterial in Bereichen des ersten, transparenten und von der Laserstrahlung durchstrahlten Werkstücks aufgeschmolzen, die in einer gewissen Umgebung der von der Laserstrahlung bestrahlten Bereiche des zweiten, absorbierenden Werkstücks liegen. Die Gesamtheit aller Bereiche, in denen in Folge der Bestrahlung mit Laserstrahlung in einer Umgebung des von der Laserstrahlung unmittelbar bestrahlten Bereichs im zweiten Werkstück und im angrenzenden ersten Werkstück das jeweilige Kunststoffmaterial aufgeschmolzen wird, definiert eine jeweilige Fügezone. Innerhalb einer solchen Fügezone vermischt sich Kunststoffmaterial beider Werkstücke, sodass die Werkstücke nach der Abkühlung des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials unter Applikation mechanischem Druck miteinander verbunden ("gefügt") sind. Die Gesamtheit aller Fügezonen an einem durch das Fügen zweier Werkstücke im Laserdurchstrahlschweißverfahren resultierenden Verbundwerkstück ergeben nach dem Erkalten und (wieder) Erstarren die Schweißnaht oder, sofern die Fügezonen etwa nicht alle zusammenhängen, gegebenenfalls die Schweißnähte an dem Verbundwerkstück.As a result of the absorption of the laser radiation in the second workpiece, the second workpiece heats up and the thermoplastic material of the second workpiece is melted in a certain area surrounding the areas irradiated by laser radiation in the second workpiece. Due to heat conduction and/or heat transport in the workpiece, plastic material also melts in areas adjacent to the area in the second workpiece that is directly irradiated by laser radiation. Likewise, plastic material is melted by heat conduction and/or heat transport in areas of the first, transparent workpiece through which the laser radiation passes, which lie in a certain vicinity of the areas of the second, absorbing workpiece that are irradiated by the laser radiation. The totality of all areas in which the respective plastic material is melted as a result of irradiation with laser radiation in a vicinity of the area directly irradiated by the laser radiation in the second workpiece and in the adjoining first workpiece defines a respective joining zone. Within such a joining zone, the plastic material of both workpieces mixes, so that the workpieces are connected ("joined") to one another after the melted plastic material has cooled and mechanical pressure is applied. The entirety of all joining zones on a composite workpiece resulting from the joining of two workpieces in the laser transmission welding process result in the weld seam after cooling and (again) solidifying or, if the joining zones are not all connected, possibly the weld seams on the composite workpiece.
Es ist auch möglich, zwei Werkstücke mittels Laserdurchstrahlschweißen zu fügen, wobei auch das zweite Werkstück zumindest weitgehend optisch transparent ist. Beim Verschweißen von zwei, aus optisch (weitgehend) transparenten Kunststoffen ausgebildeten Werkstücken kann Laserstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von 1 µm in Kombination mit chemischen Absorbern als Hilfsmittel verwendet werden, wobei die chemischen Absorber im Wesentlichen die Laserstrahlung absorbieren und durch Wärmeentwicklung in Folge der Absorption das Kunststoffmaterial der zu fügenden Werkstücke in der Fügezone aufschmelzen. Die chemischen Absorber verblassen dabei, sodass auch das durch Fügung zweier optisch (weitgehend) transparente Werkstücke mittels Laserdurchstrahlschweißen ausgebildete Verbundwerkstück optisch (weitgehend) transparent ist. Alternativ kann zum Fügen zweier optisch (weitgehend) transparenter Werkstücke im Laserdurchstrahlschweißverfahren Laserstrahlung im Bereich von 2 µm Wellenlänge eingesetzt und die Volumenabsorption in dem Kunststoffmaterial der zu fügenden Werkstücke genutzt werden. Dabei ist das Ziel, ohne chemische Zusätze wie die vorstehend erwähnten chemischen Absorber zu schweißen, um etwa Kartuschen für medizintechnische Analysen zu fertigen, welche mit optischen Verfahren (z. B. Farbumschlag einer Reagenz) ausgewertet werden können.It is also possible to join two workpieces by means of laser transmission welding, with the second workpiece also being at least largely optically transparent. When welding two workpieces made of optically (largely) transparent plastics, laser radiation with wavelengths in the range of 1 µm can be used in combination with chemical absorbers as an aid, with the chemical absorbers essentially absorbing the laser radiation and the heat generated as a result of the absorption Melt the plastic material of the workpieces to be joined in the joining zone. The chemical absorbers fade in the process, so that the composite workpiece formed by joining two optically (largely) transparent workpieces by means of laser transmission welding is also optically (largely) transparent. Alternatively, to join two optically (largely) transparent workpieces in the laser transmission welding process, laser radiation in the range of 2 µm wavelength can be used and the volume absorption in the plastic material of the workpieces to be joined can be used. The aim is to weld without chemical additives such as the chemical absorbers mentioned above, in order to produce cartridges for medical technology analyses, which can be evaluated using optical processes (e.g. color change of a reagent).
Das Fügen von optisch (weitgehend) transparenten Werkstücken im Laserdurchstrahlschweißverfahren ist technisch anspruchsvoll. Aufgrund der geringen Absorption von Laserstrahlung im Kunststoffmaterial derartiger Werkstücke muss mit entsprechend hoher Ausgangsleistung der Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung gearbeitet werden, um die zu fügenden Werkstücke in einer Fügezone überhaupt aufschmelzen zu können. Bereits geringfügige Verunreinigungen des Kunststoffmaterials oder auf Grenzflächen des Kunststoffmaterials wenigstens in einer Fügezone, etwa kleine Staubteilchen, können in Folge der Bestrahlung mit dem Laser sich stark erhitzen oder gar entzünden und so zu einer Beschädigung der zu fügenden Werkstücke im Fügeprozess respektive zu massiven Qualitätsmängeln (Ausschuss bzw. Fehlproduktion) des im Fügeprozess ausgebildeten Verbundwerkstücks führen. Des Weiteren sind unterschiedliche Materialstärken an verschiedenen Stellen, an denen zwei Werkstücke gefügt werden sollen oder Schweißen im Bereich von Krümmungen sowie Kanten bzw. Ecken, oder allgemeiner formuliert, kompliziertere Geometrien der zu fügenden optisch (weitgehend) transparenten Werkstücke, problematisch. Dabei kann sich die Einstrahlcharakteristik von Laserstrahlung während des Laserdurchstrahlschweißprozesses ändern.The joining of optically (largely) transparent workpieces in the laser transmission welding process is technically demanding. Due to the low absorption of laser radiation in the plastic material of such workpieces, the device for generating laser radiation has to be operated with a correspondingly high output power in order to be able to melt the workpieces to be joined in a joining zone at all. Even slight contamination of the plastic material or on the interfaces of the plastic material, at least in one joining zone, such as small dust particles, can heat up considerably or even ignite as a result of irradiation with the laser and thus damage the workpieces to be joined in the joining process or lead to massive quality defects (Rejects or faulty production) of the composite workpiece formed in the joining process. Furthermore, different material thicknesses at different points where two workpieces are to be joined or welding in the area of curvatures and edges or corners, or more generally, more complicated geometries of the optically (largely) transparent workpieces to be joined are problematic. The irradiation characteristics of laser radiation can change during the laser transmission welding process.
Bei der Absorption von Laserstrahlung etwa durch Kunststoffmaterial der in einem Laserdurchstrahlschweißprozess zu fügenden Werkstücke erwärmt sich Kunststoffmaterial in einer Fügezone. In Folge der Erwärmung wird wenigstens aus der Fügezone elektromagnetische Strahlung, Wärmestrahlung, emittiert. Die Wärmestrahlung kann durch geeignete, zur Detektion entsprechender elektromagnetischer Strahlung ausgebildete, strahlungsdetektierende Vorrichtungen detektiert werden. Zu derartigen strahlungsdetektierenden Vorrichtungen zählen etwa Pyrometer. Die Detektion von aus einer Fügezone emittierten Wärmestrahlung bei Durchführung eines Laserdurchstrahlschweißprozesses ermöglicht die Regelung des Prozesses insbesondere durch Anpassung der Ausgangsleistung der Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung in Abhängigkeit von den Messsignalen einer geeigneten und entsprechend eingerichteten strahlungsdetektierenden Vorrichtung.When laser radiation is absorbed, for example by plastic material in the workpieces to be joined in a laser transmission welding process, plastic material heats up in a joining zone. As a result of the heating, electromagnetic radiation, thermal radiation, is emitted at least from the joining zone. The thermal radiation can be detected by suitable radiation-detecting devices designed to detect corresponding electromagnetic radiation. Such radiation detecting devices include, for example, pyrometers. The detection of thermal radiation emitted from a joining zone when carrying out a laser transmission welding process enables the process to be controlled, in particular by adapting the output power of the device for generating laser radiation as a function of the measurement signals of a suitable and appropriately set up radiation-detecting device.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen vorzuschlagen, die simultan beim Laserdurchstrahlschweißen eine Regelung der Laserintensität in Abhängigkeit der Wärmeentwicklung in einer Fügezone auf einfache Art und Weise ermöglicht.Proceeding from this, the present invention is based on the object of proposing an arrangement for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, which simultaneously during laser transmission welding allows the laser intensity to be regulated in a simple manner as a function of the heat development in a joining zone.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen zurückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved according to the invention by a system for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding according to claim 1. Further advantageous refinements of the invention can be found in the respective dependent claims.
Demnach ist bei einem erfindungsgemäßen System zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen vorgesehen, dass an einem Einkoppelpunkt auf einer, zu der ersten optischen Achse parallel verlaufenden, zweiten optischen Achse ein Umlenkspiegel zur Umlenkung der Laserstrahlung aus einer mit der zweiten optischen Achse einen nichtverschwindenden Winkel, vorzugsweise einen rechten Winkel, einschließenden Eintrittsachse in eine Richtung entlang der zweiten optischen Achse angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen dem Einkoppelpunkt und der Fügeebene bezüglich der zweiten optischen Achse geringer ist als der Abstand von der Detektionsebene zu der Fügeebene bezüglich der ersten optischen Ache, wobei der Durchmesser des Umlenkspiegels an die Querschnittsform und Querschnittsgröße der Laserstrahlung angepasst ist und bei einer Projektion des Umlenkspiegels auf eine Projektionsebene senkrecht zu der ersten optischen Achse die Projektionsfläche des Spiegels in der Projektionsebene vollständig innerhalb einer minimalen Apertur im Strahlengang der Abbildungsoptik angeordnet ist und die minimale Apertur nur teilweise abdeckt.Accordingly, in a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, it is provided that at a coupling point on a second optical axis running parallel to the first optical axis, a deflection mirror for deflecting the laser radiation from one with the second optical axis non-vanishing angle, preferably a right angle, enclosing the entry axis in a direction along the second optical axis, wherein the distance between the coupling point and the joining plane with respect to the second optical axis is less than the distance from the detection plane to the joining plane with respect to the first optical axis Ache, the diameter of the deflection mirror being adapted to the cross-sectional shape and cross-sectional size of the laser radiation, and in the case of a projection of the deflection mirror onto a projection plane perpendicular to the first optical axis, the projection surface The surface of the mirror in the projection plane is arranged completely within a minimum aperture in the beam path of the imaging optics and only partially covers the minimum aperture.
Die zweite optische Achse ist diejenige Achse, entlang der Laserstahlstrahlung ab dem Einkoppelpunkt propagiert. Sofern in dem für Laserstrahlung vorgesehen Strahlengang auf den Umlenkspiegel zumindest ein weiteres optisches Element folgt, das eine Änderung der Propagationsrichtung von Laserstrahlung hervorruft, dann stimmt die Propagationsrichtung von Laserstrahlung nach Passieren dieses weiteren optischen Elements im Allgemeinen nicht mehr mit der von der zweiten optischen Achse vorgegebenen Propagationsrichtung überein. Ein solches weiteres optisches Element kann etwa eine Fokussieroptik (z. B. eine Linse) sein, die Laserstrahlung in eine Fokusebene innerhalb einer Fügezone fokussiert, um die Leistungsdichte der Laserstrahlung auf einen bestimmten Bereich zu konzentrieren. Die Fügezone bildet sich dementsprechend um diesen Konzentrationsbereich der Leistungsdichte der Laserstrahlung aus. Eine derartige Fokussieroptik kann dabei zugleich wenigstens ein Teil der Abbildungsoptik zur Abbildung aus einer Fügezone in die Detektionsebene einer strahlungsdetektierenden Vorrichtung sein.The second optical axis is that axis along which the laser beam radiation propagates from the in-coupling point. If at least one further optical element follows the deflection mirror in the beam path provided for laser radiation, which causes a change in the propagation direction of laser radiation, then the propagation direction of laser radiation after passing through this further optical element generally no longer matches that specified by the second optical axis direction of propagation match. Such a further optical element can be, for example, focusing optics (e.g. a lens) which focus the laser radiation in a focal plane within a joining zone in order to concentrate the power density of the laser radiation on a specific area. The joining zone is accordingly formed around this concentration range of the power density of the laser radiation. Such focusing optics can at the same time be at least part of the imaging optics for imaging from a joining zone into the detection plane of a radiation-detecting device.
Im Allgemeinen fallen die erste optische Achse und die zweite optische Achse nicht zusammen.In general, the first optical axis and the second optical axis do not coincide.
Als minimale Apertur im Strahlengang der Abbildungsoptik wird dabei die kleinste Öffnung im Strahlengang und zugleich Teil der Abbildungsoptik verstanden, wobei gegebenenfalls die genaue Form dieser kleinsten Öffnung, insbesondere betreffend einer Projektion der Öffnung auf eine Projektionsebene senkrecht zur ersten optischen Achse, ebenfalls zu beachten wäre. Zweckmäßigerweise wird auch die minimale Apertur bzw. kleinste Öffnung im Strahlengang der Abbildungsoptik möglichst groß gewählt. Die minimale Apertur bzw. kleinste Öffnung kann dabei entsprechend der Begrifflichkeit Apertur eine Blende sein, aber auch irgendeine anderes Element, ein Bauteil, eine Vorrichtung oder dergleichen als Teil der Abbildungsoptik mit einer Wirkung entsprechend der einer Blende sein, etwa die Fassung bzw. der Rahmen einer Linse oder eines wellenlängenselektiven Elements (Filters).The minimum aperture in the beam path of the imaging optics is understood to mean the smallest opening in the beam path and at the same time part of the imaging optics, whereby the exact shape of this smallest opening, in particular with regard to a projection of the opening onto a projection plane perpendicular to the first optical axis, would also have to be taken into account. The minimum aperture or smallest opening in the beam path of the imaging optics is also expediently selected to be as large as possible. The minimum aperture or smallest opening can be a diaphragm according to the terminology aperture, but also any other element, component, device or the like as part of the imaging optics with an effect corresponding to that of a diaphragm, such as the mount or the frame a lens or a wavelength-selective element (filter).
Eine Fügeebene liegt innerhalb einer Fügezone, wobei, allerdings ohne Beschränkung der Allgemeinheit, vorgesehen ist, dass eine jeweilige Fügeebene in einer Fügezone an einer Grenze zweier in einer Fügezone aneinander angrenzenden, zu fügenden Werkstücken liegt. Der Fokus der Laserstrahlung liegt dabei im Allgemeinen nicht unbedingt in der Fügeebene. Die Fokusebene, in der der Fokus der Laserstrahlung liegt, kann mit der Fügeebene je nach der gewählten Strahlführung für die Laserstrahlung in die Fügezone zum Fokus einen Winkel einschließen, sodass sich die Ebenen schneiden. Liegt der Fokuspunkt, also der zentrale Punkt des Fokus der Laserstrahlung zugleich auch in der Fügeebene, dann liegt der Fokuspunkt auf der Schnittgeraden von Fügeebene und Fokusebene. Bei "eher dicken" ersten, von der Laserstrahlung also weitestgehend durchstrahlten Werkstücken liegt der Fokus der Laserstrahlung in einer Fügezone typischerweise nicht an der Grenze zweier zu fügender Werkstücke, sondern ein Stück weit in dem jeweiligen zweiten Werkstück. Bei "eher dünnen" ersten Werkstücken liegt der Fokus der Laserstrahlung in einer Fügezone typischerweise an der Grenze zweier zu fügender Werkstücke. Als grober Richtwert, jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit, sei an dieser Stelle eine Materialstärke bzw. Dicke von um die 0,5 mm zur Unterscheidung zwischen "eher dünnen" Werkstücken, insbesondere Kunststofffolien, und "eher dicken" Werkstücken genannt.A joining plane lies within a joining zone, with provision being made, however without restricting generality, for a respective joining plane to lie in a joining zone at a boundary between two workpieces to be joined that are adjacent to one another in a joining zone. In general, the focus of the laser radiation is not necessarily in the joining plane. The focal plane, in which the focus of the laser radiation lies, can enclose an angle with the joining plane depending on the selected beam guidance for the laser radiation in the joining zone to the focus, so that the planes intersect. If the focal point, i.e. the central point of the focus of the laser radiation, also lies in the joining plane, then the focal point lies on the intersection of the joining plane and the focal plane. In the case of "rather thick" first workpieces, i.e. those that are largely irradiated by the laser radiation, the focus of the laser radiation in a joining zone is typically not on the border between two workpieces to be joined, but rather a little in the respective second workpiece. In the case of "rather thin" first workpieces, the focus of the laser radiation in a joining zone is typically at the border between two workpieces to be joined. As a rough guide, but without restricting the generality, at this point, a material strength or thickness of around 0.5 mm should be mentioned to distinguish between "rather thin" workpieces, in particular plastic foils, and "rather thick" workpieces.
Wie in einem vorstehenden Abschnitt bereits angesprochen, folgt aus der Erwärmung der zu fügenden Werkstücke bedingt durch die Absorption von Laserstrahlung in einer Fügezone Emission von Wärmestrahlung. Ein Teil dieser Wärmestrahlung kann entlang des Strahlengangs durch die Abbildungsoptik zu der strahlungsdetektierenden Vorrichtung gelangen. Dabei propagiert Wärmestrahlung ausgehend von der Fügezone bis zum Einkoppelpunkt entgegen der in die Fügezone geleiteten Laserstrahlung, wobei der Umlenkspiegel einem Teil der Wärmestrahlung bedingt durch seine Anordnung im Strahlengang der Abbildungsoptik den weiteren Weg zum Detektor versperrt bzw. Teile der Wärmestrahlung gegebenenfalls in die Richtung umlenkt, aus der Laserstrahlung auf den Umlenkspiegel einfällt und diese somit nicht mehr in die Detektionsebene bzw. zu der strahlungsdetektierenden Vorrichtung gelangen kann. Es ist dabei explizit nicht vorgesehen, dass der Umlenkspiegel einerseits entlang der Eintrittsachse einfallende Laserstrahlung in Richtung der zweiten optischen Asche umlenkt und andererseits (zugleich) entlang der parallel zu der zweiten optischen Achse verlaufenden ersten optischen Achse in Gegenrichtung zur Laserstrahlung einfallende Wärmestrahlung transmittiert. Der Umlenkspiegel ist ausschließlich entsprechend der verwendeten Laserstrahlung ausgebildet. Dadurch erreicht weniger Wärmestrahlung die Detektionsebene als wenn der Umlenkspiegel für Wärmestrahlung weitestgehend transmittierend ausgebildet oder überhaupt nicht (im Strahlengang der Abbildungsoptik) vorhanden wäre. Allerdings kann im Gegenzug auf aufwendig herzustellende und dementsprechend teure teildurchlässige bzw. wellenlängenselektive Spiegel verzichtet werden.As already mentioned in a previous section, the heating of the workpieces to be joined results in the emission of thermal radiation due to the absorption of laser radiation in a joining zone. A portion of this thermal radiation can reach the radiation-detecting device along the beam path through the imaging optics. Thermal radiation propagates from the joining zone to the coupling point against the laser radiation conducted into the joining zone, with the deflection mirror blocking part of the thermal radiation due to its arrangement in the beam path of the imaging optics on the way to the detector or possibly deflecting parts of the thermal radiation in the direction from the laser radiation impinges on the deflection mirror and this can therefore no longer reach the detection plane or the radiation-detecting device. It is explicitly not provided that the deflection mirror on the one hand deflects incident laser radiation along the entry axis in the direction of the second optical axis and on the other hand (simultaneously) transmits incident thermal radiation along the first optical axis running parallel to the second optical axis in the opposite direction to the laser radiation. The deflection mirror is designed exclusively in accordance with the laser radiation used. As a result, less heat radiation reaches the detection plane than if the deflection mirror were designed to be largely transmissive for heat radiation or were not present at all (in the beam path of the imaging optics). However, on the other hand, partially transparent or wavelength-selective mirrors, which are complex to produce and correspondingly expensive, can be dispensed with.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen ist vorgesehen, dass die Projektion des Umlenkspiegels (auf eine Projektionsebene senkrecht zu der ersten optischen Achse) maximal zwei Drittel, vorzugsweise nicht mehr als die Hälfte, der minimalen Apertur der Abbildungsoptik abdeckt. Dadurch ist sichergestellt, dass genügend Wärmestrahlung aus einer Fügezone in die Detektionsebene einer strahlungsdetektierenden Vorrichtung gelangen kann, um ein zuverlässig auswertbares Ausganssignal respektive Messsignal an der strahlungsdetektierenden Vorrichtung zu generieren.In a preferred embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, it is provided that the projection of the deflection mirror (on a projection plane perpendicular to the first optical axis) is a maximum of two thirds, preferably not more than half, of the minimum aperture the imaging optics covers. This ensures that sufficient thermal radiation can get from a joining zone into the detection plane of a radiation-detecting device in order to generate a reliably analyzable output signal or measurement signal at the radiation-detecting device.
Nach einer favorisierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen fallen die erste optische Achse und die zweite optische Achse zusammen, d. h., Laserstrahlung propagiert zwischen dem Einkoppelpunkt und einer Fügeebene in einer Fügezone entlang der (ersten) optischen Achse der Abbildungsoptik. Der Strahlengang von Laserstrahlung zwischen dem Einkoppelpunkt und einer Fügeebene und der Strahlengang der Abbildungsoptik, der Wärmestrahlung aus einer Fügeebene entlang des Einkoppelpunkts zur Detektionsebene in Gegenrichtung zur Laserstrahlung folgt, sind somit koaxial.According to a preferred embodiment of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, the first optical axis and the second optical axis coincide, i. That is, laser radiation propagates between the coupling point and a joining plane in a joining zone along the (first) optical axis of the imaging optics. The beam path of laser radiation between the coupling point and a joining plane and the beam path of the imaging optics, which follows thermal radiation from a joining plane along the coupling point to the detection plane in the opposite direction to the laser radiation, are therefore coaxial.
Gemäß einer präferierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen ist in einem Bereich entlang der ersten optischen Achse zwischen Detektionsebene und Einkoppelpunkt wenigstens ein wellenlängenselektives Element angeordnet. Das wellenlängenselektive optische Element kann dabei als Filter zur (weitgehenden) Unterdrückung eines oder mehrerer bestimmter Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet sein, wobei elektromagnetische Strahlung aus eben diesem oder diesen Wellenlängenbereich(en) nicht entlang des Strahlengangs der Abbildungsoptik in die Detektionsebene der strahlungsdetektierenden Vorrichtung gelangen sollen. Dies betrifft insbesondere gestreute Teile der Laserstrahlung.According to a preferred embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, at least one wavelength-selective element is arranged in a region along the first optical axis between the detection plane and the coupling point. The wavelength-selective optical element can be designed as a filter for (extensive) suppression of one or more specific wavelength ranges of the electromagnetic spectrum, with electromagnetic radiation from precisely this or these wavelength range(s) not being intended to reach the detection plane of the radiation-detecting device along the beam path of the imaging optics . This applies in particular to scattered parts of the laser radiation.
Bei einer begünstigten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen ist das wellenlängenselektive Element als Kurzpassfilter, Langpassfilter, Bandpassfilter oder Kerbfilter ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das wellenlängenselektive Element insbesondere dazu ausgebildet, die Laserstrahlung (weitestgehend) zu unterdrücken.In an advantageous embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, the wavelength-selective element is designed as a short-pass filter, long-pass filter, band-pass filter or notch filter. The wavelength-selective element is preferably designed in particular to (largely) suppress the laser radiation.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen wird der Umlenkspiegel von einer Umlenkspiegelhalterung gehalten, wobei die Umlenkspiegelhalterung zumindest eine Halterungsbasis und ein Halteelement umfasst, wobei die Halterungsbasis einen Freiraum aufweist, der von der Halterungsbasis zumindest teilweise umlaufend um die erste optische Achse berandet bzw. umschlossen wird und eine Projektion des Freiraums auf eine Projektionsebene senkrecht zu der ersten optischen Achse eine minimale Apertur der Abbildungsoptik vollständig einschließt, wobei sich von der Halterungsbasis zumindest eine Strebe geradlinig oder gekrümmt in den Freiraum hinein erstreckt und die Halterungsbasis mit dem Halteelement verbindet, und wobei das Halteelement zum Halten des Umlenkspiegels ausgebildet ist.According to a further particularly preferred embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, the deflection mirror is held by a deflection mirror holder, the deflection mirror holder comprising at least one holder base and one holder element, the holder base having a free space which is at least is partially bordered or enclosed around the first optical axis and a projection of the free space onto a projection plane perpendicular to the first optical axis completely encloses a minimum aperture of the imaging optics, with at least one strut extending straight or curved from the mounting base into the free space and connects the mounting base to the holding element, and wherein the holding element is designed to hold the deflection mirror.
Die Halterungsbasis der Umlenkspiegelhalterung erstreckt sich zumindest teilweise und umlaufend um die erste optische Achse um einen Freiraum (eine Ausnehmung, eine Öffnung), wobei sich der Freiraum (die Ausnehmung, die Öffnung) entlang der ersten optischen Achse vollständig durch die Halterungsbasis hindurch erstreckt. Der Freiraum ist bezüglich seiner Ausdehnung in einer Ebene senkrecht zu der ersten optischen Achse mindestens ebenso groß wie eine minimale Apertur der Abbildungsoptik, sodass bei einer Projektion des Freiraums auf eine Ebene senkrecht zu der ersten optische Achse die Projektionsfläche des Freiraums wenigstens eine minimale Apertur der Abbildungsoptik vollständig beinhaltet. In dem Freiraum (der Ausnehmung, der Öffnung) ist das Haltelement angeordnet, welches durch zumindest eine geradlinige oder gekrümmte Strebe mit der Halterungsbasis verbunden ist. Das Halteelement ist, gegebenenfalls durch zusätzlich vorgesehene Befestigungsmittel zur Befestigung des Umlenkspiegels an dem Halteelement, zum zerstörungsfrei lösbaren oder nicht zerstörungsfrei lösbaren Halten des Umlenkspiegels ausgebildet. Vorzugsweise ist das Halteelement zudem derart ausgestaltet, dass eine Projektion des Halteelements auf eine Projektionsebene senkrecht zu der ersten optischen Achse die Projektion des Halteelements bei einer Überlagerung mit einer entsprechenden Projektion des Umlenkspiegels vollständig überdeckt wird. Dies bedeutet, dass das Halteelement kein zusätzliches Hindernis (zusätzlich zu dem Hindernis, dass der Umlenkspiegel für sich alleine genommen bereits darstellt) für Wärmestrahlung im Strahlengang der Abbildungsoptik darstellt. Die Halterungsbasis, die zumindest eine Strebe und das Halteelement könne jeweils ein- oder mehrteilig ausgebildet werden. Vorzugsweise sind Halterungsbasis, Strebe(n) und Halteelement jeweils einteilig ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt sind Halterungsbasis, Strebe(n) und Halteelement miteinander einteilig, also die gesamte Umlenkspiegelhalterung als ein Stück ausgebildet.The mounting base of the deflecting mirror mount extends at least partially and circumferentially around the first optical axis around a free space (a recess, an opening), the free space (the recess, the opening) extending along the first optical axis completely through the mounting base. In terms of its extent in a plane perpendicular to the first optical axis, the free space is at least as large as a minimum aperture of the imaging optics, so that when the free space is projected onto a plane perpendicular to the first optical axis, the projection surface of the free space has at least a minimum aperture of the imaging optics fully included. The holding element is arranged in the free space (the recess, the opening), which is connected to the mounting base by at least one straight or curved strut. The holding element is designed to hold the deflecting mirror in a non-destructively detachable or non-destructively detachable manner, if necessary by additionally provided fastening means for fastening the deflection mirror to the holding element. Preferably, the holding element is also designed in such a way that a projection of the holding element onto a projection plane perpendicular to the first optical axis is the projection of the holding element in the case of an overlay is completely covered with a corresponding projection of the deflection mirror. This means that the holding element does not represent an additional obstacle (in addition to the obstacle that the deflection mirror already represents on its own) for thermal radiation in the beam path of the imaging optics. The mounting base, the at least one strut and the holding element can each be designed in one piece or in multiple pieces. Preferably, the mounting base, strut(s) and holding element are each formed in one piece. Very particularly preferably, the mounting base, strut(s) and holding element are in one piece with one another, ie the entire deflecting mirror mount is designed as one piece.
Bei einer weiteren favorisierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen ist die strahlungsdetektierende Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung aus dem nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet.In a further preferred embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, the radiation-detecting device is designed to detect electromagnetic radiation from the near infrared range of the electromagnetic spectrum.
Nach einer weiteren präferierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen ist die strahlungsdetektierende Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung in einem Detektionsbereich als Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet ist, der in einem zentralen Bereich die Wellenlänge der Laserstrahlung einschließt. Eine derartig ausgebildete strahlungsdetektierende Vorrichtung wird vorzugsweise mit wenigstens einem Kerbfilter (im Strahlengang der Abbildungsoptik) kombiniert, wobei der Kerbfilter dann zur Unterdrückung elektromagnetischer Strahlung entsprechend der der verwendeten Laserstrahlung ausgelegt ist.According to a further preferred embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, the radiation-detecting device for detecting electromagnetic radiation in a detection area is designed as a sub-area of the electromagnetic spectrum, which includes the wavelength of the laser radiation in a central area. A radiation-detecting device designed in this way is preferably combined with at least one notch filter (in the beam path of the imaging optics), the notch filter then being designed to suppress electromagnetic radiation corresponding to the laser radiation used.
Eine weitere begünstige Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen umfasst die Ausbildung der strahlungsdetektierende Vorrichtung zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung in einem Detektionsbereich als Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums derart, dass die Wellenlänge der Laserstrahlung lediglich in einem Randbereich oder gar nicht einschließt. Je nachdem, ob die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung im Bereich der unteren Grenze des Detektionsbereichs oder im Bereich der oberen Grenze des Detektionsbereichs der strahlungsdetektierenden Vorrichtung liegt, wird eine entsprechend ausgebildete strahlungsdetektierende Vorrichtung vorzugsweise mit zumindest einem Langpassfilter oder wenigstens einem Kurzpassfilter (im Strahlengang der Abbildungsoptik) kombiniert. Sofern die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung (weiter) außerhalb des Detektionsbereichs der Strahlungsdetektierenden Vorrichtung liegt, kann gegebenenfalls auch auf Filter verzichtet werden, sofern die strahlungsdetektierende Vorrichtung nicht durch die verwendete Laserstrahlung grundsätzlich beschädigt werden könnte, auch wenn die Laserstrahlung von der strahlungsdetektierenden Vorrichtung nicht detektiert wird bzw. nicht detektiert werden kann. Eine derart ausgebildete strahlungsdetektierende Vorrichtung kann auch mit zumindest einem Bandpassfilter kombiniert werden, der gerade (nur) elektromagnetische Strahlung entsprechend dem Detektionsbereich der strahlungsdetektierenden Vorrichtung und/oder entsprechend der aus einer Fügezone bei Bestrahlung mit dem Laser zu erwartenden Wärmestrahlung passieren lässt.A further advantageous embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding comprises the design of the radiation-detecting device for detecting electromagnetic radiation in a detection area as a sub-area of the electromagnetic spectrum in such a way that the wavelength of the laser radiation is only in a peripheral area or not at all includes. Depending on whether the wavelength of the laser radiation used is in the range of the lower limit of the detection range or in the range of the upper limit of the detection range of the radiation-detecting device, a correspondingly designed radiation-detecting device is preferably equipped with at least one long-pass filter or at least one short-pass filter (in the beam path of the imaging optics) combined. If the wavelength of the laser radiation used is (further) outside the detection range of the radiation-detecting device, it may also be possible to dispense with filters if the radiation-detecting device could not be fundamentally damaged by the laser radiation used, even if the laser radiation is not detected by the radiation-detecting device or cannot be detected. A radiation-detecting device designed in this way can also be combined with at least one band-pass filter that allows (only) electromagnetic radiation to pass in accordance with the detection range of the radiation-detecting device and/or in accordance with the thermal radiation to be expected from a joining zone when irradiated with the laser.
Bei einer zusätzlichen besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen weist die strahlungsdetektierende Vorrichtung zumindest eine Photodiode, vorzugsweise eine Indiumgalliumarsenid-Photodiode, auf. Die Photodiode ist dementsprechend in dieser Ausgestaltung das eigentliche detektierende Element der strahlungsdetektierenden Vorrichtung. Die strahlungsdetektierende Vorrichtung kann dabei lediglich eine einzelne Photodiode aufweisen, d. h., als Photodetektor mit einem Pixel ausgebildet sein. Die strahlungsdetektierende Vorrichtung kann aber etwa auch als Photodiodenzeile mit mehreren Pixeln angeordnet entlang einer (geraden) Linie oder als Photodiodenarray ausgebildet sein, wobei mehrere Pixel in einer (ebenen) Fläche in einem Muster angeordnet sind. Als Pixel wird dabei ein zur Detektion auf die strahlungsdetektierende Vorrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung vorgesehener bzw. ausgebildeter Detektionsbereich als Teilbereich der Detektionsebene der strahlungsdetektierenden Vorrichtung verstanden. Alternative Ausgestaltungen einer strahlungsdetektierenden Vorrichtung sehen Bolometer oder Mikrobolometer als eigentliche strahlungsdetektierende Elemente vor, wobei derartige strahlungsdetektierende Vorrichtungen wiederum mit einem Pixel, als Zeile mit mehreren Pixeln oder in Form eines Arrays ausgebildet sein können. Die strahlungsdetektierende Vorrichtung kann neben dem oder den eigentlichen strahlungsdetektierenden Elementen etwa Mittel zur Ansteuerung der eigentlichen strahlungsdetektierenden Elementen, Mittel zur Signalverarbeitung, etwa der Signale der eigentlichen strahlungsdetektierenden Elemente hervorgerufen durch auf die eigentlichen strahlungsdetektierenden Elementen einfallende detektierbare elektromagnetische Strahlung, oder dergleichen umfassen.In an additional particularly preferred embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding, the radiation-detecting device has at least one photodiode, preferably an indium gallium arsenide photodiode. Accordingly, in this configuration, the photodiode is the actual detecting element of the radiation-detecting device. In this case, the radiation-detecting device can only have a single photodiode, ie it can be designed as a photodetector with one pixel. However, the radiation-detecting device can also be embodied, for example, as a row of photodiodes with a plurality of pixels arranged along a (straight) line or as a photodiode array, with a plurality of pixels being arranged in a pattern in a (planar) area. In this case, electromagnetic radiation incident on the radiation-detecting device for detection is provided as a pixel or formed detection area understood as a sub-area of the detection plane of the radiation-detecting device. Alternative configurations of a radiation-detecting device provide bolometers or microbolometers as the actual radiation-detecting elements, such radiation-detecting devices in turn being able to be designed with one pixel, as a line with a plurality of pixels or in the form of an array. In addition to the actual radiation-detecting element or elements, the radiation-detecting device can include means for controlling the actual radiation-detecting elements, means for signal processing, such as the signals of the actual radiation-detecting elements caused by detectable electromagnetic radiation incident on the actual radiation-detecting elements, or the like.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass eine strahlungsdetektierende Vorrichtung wie eine Photodiode ein physikalisches Signal, etwa ein elektrisches Signal, als Ausgangssignal respektive Messsignal liefert, dass eine wohldefinierte Beziehung zu der aus der Fügezone auf die strahlungsdetektierende Vorrichtung einfallende und von dieser detektierten elektromagnetischen Strahlung (Wärmestrahlung) aufweist und dementsprechend Rückschlüsse auf die von der strahlungsdetektierenden Vorrichtung detektierte elektromagnetische Strahlung, insbesondere etwa die Leistungsdichte der detektierten elektromagnetischen Strahlung, ermöglicht. Im Allgemeinen ist die Bestimmung der absoluten Temperatur des erwärmten und gegebenenfalls geschmolzenen Kunststoffmaterials der zu fügenden Werkstücke in einer Fügezone über die von der Fügezone ausgehenden und von der strahlungsdetektierenden Vorrichtung detektierten Wärmestrahlung aufgrund der zahlreichen dabei zu berücksichtigenden Parameter, unter anderem Material- und Werkstückparameter, bestenfalls schwerlich möglich. Dies ist jedoch auch keinesfalls zwingend notwendig. Es genügt, wenn etwa mittels der von der strahlungsdetektierenden Vorrichtung detektierten Wärmestrahlung und dem entsprechenden Ausgangssignal der strahlungsdetektierenden Vorrichtung Schwellwerte definiert werden können, innerhalb derer ein adäquates Fügeergebnis beim Laserdurchstrahlschweißen zweier zu fügender Werkstücke sichergestellt werden kann und die (Ausgangsleistung der) Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung entsprechend dieser Schwellwerte geregelt werden kann. Eine Regelung kann aber etwa auch die Lage des Fokus von Laserstrahlung innerhalb der zu fügenden Werkstücke, z. B. relativ zu einer Fügeebene, betreffen. Des Weiteren kann eine Regelung die Zeitdauer der Bestrahlung eines bestimmten Bereichs in einer vorgesehenen Fügezone oder Schweißzone an einer Grenze zwischen zwei zu fügenden Werkstücken betreffen. Die entsprechende Regelung betrifft dann etwa die Geschwindigkeit, mit der ein Laserkopf oder Prozesskopf, von dem ausgehend Laserstrahlung in eine Fügezone oder Schweißzone geleitet wird, entlang der Fügezone oder Schweißzone bewegt wird.In principle, it is provided that a radiation-detecting device such as a photodiode supplies a physical signal, such as an electrical signal, as an output signal or measurement signal that has a well-defined relationship to the electromagnetic radiation (heat radiation) incident on the radiation-detecting device from the joining zone and detected by it and accordingly allows conclusions to be drawn about the electromagnetic radiation detected by the radiation-detecting device, in particular about the power density of the detected electromagnetic radiation. In general, the determination of the absolute temperature of the heated and possibly melted plastic material of the workpieces to be joined in a joining zone via the thermal radiation emanating from the joining zone and detected by the radiation-detecting device is at best due to the numerous parameters to be taken into account, including material and workpiece parameters hardly possible. However, this is by no means absolutely necessary. It is sufficient if threshold values can be defined, for example by means of the thermal radiation detected by the radiation-detecting device and the corresponding output signal of the radiation-detecting device, within which an adequate joining result can be achieved during laser transmission welding two workpieces to be joined can be ensured and the (output power of) the device for generating laser radiation can be regulated according to these threshold values. However, regulation can also include the position of the focus of laser radiation within the workpieces to be joined, e.g. B. relative to a joining plane. Furthermore, a regulation can relate to the duration of the irradiation of a specific area in an intended joining zone or welding zone at a boundary between two workpieces to be joined. The corresponding regulation then relates, for example, to the speed at which a laser head or process head, from which laser radiation is guided into a joining zone or welding zone, is moved along the joining zone or welding zone.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale des Anspruchs 1 durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own. Not all features of claim 1 have to be realized in order to carry out the invention. Individual features of claim 1 can also be replaced by other disclosed features or combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oderfunktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- Eine schematische Übersichtsdarstellung einer Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen; und
- Fig. 2
- eine beispielhafte Umlenkspiegelhalterung samt Umlenkspiegel für ein erfindungsgemäßes System zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen in dreidimensionaler isometrischer Darstellung.
- 1
- A schematic overview of an embodiment variant of a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material by means of laser transmission welding; and
- 2
- an exemplary deflection mirror mount including deflection mirror for a system according to the invention for joining at least two workpieces made of thermoplastic material using laser transmission welding in a three-dimensional isometric representation.
In
Eine Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung, also eine Laserstrahlungsquelle oder kurz,Laser', die grundsätzlich auch Teil eines erfindungsgemäßen Systems zum Fügen zumindest zweier Werkstücke aus thermoplastischem Kunststoff mittels Laserdurchstrahlschweißen, ist, verbleibt in der Darstellung eines Ausführungsbeispiels gemäß
An einem Strahlteiler 7 wird ein Teil der Laserstrahlung 5 (etwa 1% bis 2% der Leistungsdichte der auf den Strahlteiler 7 einfallenden Laserstrahlung 5) senkrecht zu der Eintrittsachse 6 abgelenkt und zu Mitteln zur Laserleistungsmessung 8 geleitet. Die Mittel zur Laserleistungsmessung 8 umfassen etwa eine zur Detektion der Laserstrahlung geeignete Photodiode und einen oder mehrere Filter zur Abschwächung der zu den Mitteln zur Laserleistungsmessung 8 geleiteten Laserstrahlung (in der
Der Hauptteil der Laserstrahlung 5 passiert den Strahlteiler 7 und breitet sich weiter entlang der Eintrittsachse 6 aus, bis die Laserstrahlung 5 auf den Umlenkspiegel 9 trifft. Der Umlenkspiegel 9 lenkt die entlang der Eintrittsachse 6 einfallenden Laserstrahlung 5 um 90° um. Die Laserstrahlung 5 propagiert danach entlang der optischen Achse 15 in Richtung zweier zu fügender, optisch transparenter Werkstücke 11 und 12. Die optische Achse 15 und die Eintrittsachse 6 sind senkrecht zueinander ausgerichtet und schneiden sich am Einkoppelpunkt 24. Der Einkoppelpunkt 24 liegt im Zentrum der Spiegeloberfläche des Umlenkspiegels 9. Die Laserstrahlung 5 wird von einer ersten Linse 10 fokussiert. Die Fokusebene der Laserstrahlung 5 fällt in der Darstellung gemäß
Die erste Linse 10 dient einerseits und primär zur Fokussierung der Laserstrahlung 5. Andererseits und sekundär ist die erste Linse 10 jedoch auch Teil der Abbildungsoptik 10, 21, im Wesentlichen bestehend aus der bereits genannten ersten Linse 10 und der zweiten Linse 21. Die erste Linse 10 ist dabei in einem Rahmen 26 als Teil des Gehäuses 2 des Prozesskopfes 1 eingefasst und ist somit zugleich ein Gehäusefenster. Die Abbildungsoptik 10, 21 bildet aus der Fügeebene 13 in eine Detektionsebene 22 einer in der Darstellung in
Die optische Achse 15, entlang der die Laserstrahlung nach Umlenkung am Umlenkspiegel 9 in Richtung der zu fügenden Werkstücke 11, 12 propagiert, ist zugleich die optische Achse der Abbildungsoptik 10, 21. Eine Unterscheidung zwischen einer ersten, der Abbildungsoptik 10, 21 zugeordneten, optischen Achse und einer zweiten, der Laserstrahlung 5 ab der Umlenkung am Umlenkspiegel 9 zugeordneten, optischen Achse bei dem in der
Eine solche Umlenkspiegelhalterung 16 samt Umlenkspiegel 9 ist für sich alleine genommen in einer dreidimensionalen isometrischen Ansicht in
- 11
- Prozesskopfprocess head
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- Fasersteckerfiber connector
- 44
- Lichtwellenleiteroptical fiber
- 55
- Strahlengang LaserstrahlungBeam path laser radiation
- 66
- Eintrittsachseentry axis
- 77
- Strahlteilerbeam splitter
- 88th
- Mittel zur LaserleitungsmessungMeans for laser line measurement
- 99
- Umlenkspiegeldeflection mirror
- 1010
- Erste LinseFirst lens
- 1111
- Erstes WerkstückFirst workpiece
- 1212
- Zweites WerkstückSecond workpiece
- 1313
- Fügeebenejoining level
- 1414
- Strahlengang WärmestrahlungRadiant heat radiation
- 1515
- Optische Achseoptical axis
- 1616
- Umlenkspiegelhalterungdeflection mirror mount
- 1717
- Halterungsbasisbracket base
- 1818
- Halteelementholding element
- 1919
- Strebestrut
- 2020
- Kerbfilter (wellenlängenselektives Element)Notch filter (wavelength selective element)
- 2121
- Zweite LinseSecond lens
- 2222
- Detektionsebenedetection level
- 2323
- Photodiode (strahlungsdetektierende Vorrichtung)Photodiode (radiation detecting device)
- 2424
- Einkoppelpunktcoupling point
- 2525
- Freiraumfree space
- 2626
- Rahmenframe
- 2727
- Fokus LaserstrahlungFocus laser radiation
- 2828
- Symmetrieachse Halteelement (Zylindersymmetrieachse)Axis of symmetry of the holding element (axis of symmetry of the cylinder)
- 2929
- Spiegeloberfläche UmlenkspiegelMirror surface deflection mirror
- 3030
- Zentrum Spiegeloberfläche UmlenkspiegelCenter mirror surface deflecting mirror
- 3131
- Fortsatz/Sockel HalterungsbasisExtension/socket mount base
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